毫米波焦面阵成像新型二元衍射微透镜阵列研究

1 引言

基片集成透镜天线阵是将天线阵集成在基片透镜背面，天线阵元可以有不同的形式，如贴片天线、缝天线及蝶形天线等。天线阵可以是线阵也可以是面阵。来自目标的电磁波经过物镜后再经过基片透镜汇聚到天线阵上。因基片集成透镜具有可以消除微带天线表面波、增加机械强度等优点，在毫米波段得到了较为广泛的应用。

相比于普通的基片集成透镜，微透镜阵列更具有如下优点：减小阵元之间的互耦、提高成像系统的分辨率、为后面电路留下更多的空间……。本文把微透镜阵列应用到毫米波焦面阵成像中，除了常规的折射式微透镜阵列外，还提出一种便于加工的衍射式微透镜阵列。

2 光路图

优化物镜和折射式微透镜阵列组合光路图如图1所示。假定一线极化波以角度入射到物镜上，经优化物镜汇聚，再经微透镜折射最后汇聚到微透镜焦面上。在图1中，入射角度分别为和，由图可知，不同角度的入射波，最后汇聚于不同微透镜的焦面上。

物镜参数同文献[5]：直径为124mm，焦距为206.5mm，折射率为1.449(Teflon)。微透镜为Teflon扩展半球透镜，其半径为4.5mm，扩展长度为5mm。两相邻微透镜中心间距为10mm。入射波频率为94GHz。

图1 优化物镜和折射微透镜组合光路图

3 CST仿真分析

衍射式微透镜及馈源天线如图2所示。图a，衍射式微透镜由介质底座和两个圆柱体构成。大小圆柱体半径的设计使得入射波到达衍射透镜后能够衍射相干，最后汇聚到微透镜的中心。最后计算所得的介质底座的高度为5mm，大小圆柱体的半径分别为4.5mm和3.0mm。馈源天线为矩形微带贴片天线，介质底板为厚度0.127mm介电常数为2.2的Duriod 5880。

(a)

(b)

图2 衍射式微透镜及馈源天线

折射式和衍射式微透镜天线CST仿真所得的S11参数及E面和H面方向图如图3所示。由图可知，衍射式微透镜辐射性能与折射式微透镜辐射性能相接近。考虑到衍射式微透镜仅由两个圆柱体所构成，加工制作较为容易，因此，我们可以用衍射式微透镜来代替传统的折射式微透镜。

(a)

(b)

(c)

图3 微透镜天线S11及方向图

4 数值分析

4.1 混合数值分析方法

对图1所示的聚焦物镜和微透镜阵列组合的光学系统，我们将采用混合数值分析方法进行分析。先采用射线追迹得到物镜出射口径面上的场，然后用Stratton-Chu矢量衍射积分公式得到微透镜阵列前面距离微透镜几个波长的面上的电磁场，最后把此面上的电磁场作为FDTD的源场，对微透镜阵列进行FDTD仿真分析。

图4 衍射微透镜阵列FDTD仿真图

衍射微透镜FDTD仿真图如图4所示。FDTD仿真的网格 , 其中是自由空间中的波长。

4.2 衍射场分析

入射波正入射时，物镜衍射波与微透镜阵列相互作用场图如图5所示。图a为折射微透镜阵列场图，图b为衍射微透镜阵列场图。虽然折射微透镜阵列的汇聚基于折射，而衍射微透镜阵列的汇聚基于衍射，从图中我们可以看出，衍射微透镜同样具有良好的汇聚效果。

(a) (b)

图5 折射和衍射微透镜阵列场图

4.3 焦面场分析

图6为不同入射角度的波入射时，由物镜汇聚过来的波，经微透镜阵列再次汇聚后，在微透镜焦面上的功率分布。对于正入射的入射波，入射波将汇聚到中心微透镜的焦面。入射角度为时，入射波将汇聚到上面一个微透镜的焦面。衍射式微透镜阵列焦面场斑的峰值和折射式微透镜阵列焦面场斑的峰值相接近，说明衍射式微透镜阵列的汇聚能力和折射式微透镜阵列汇聚能力相接近。

图6 折射和衍射微透镜阵列焦面场

4 结论

本文提出了一种应用于毫米波焦面阵成像的新型二元衍射微透镜阵列。用CST软件仿真了微透镜的方向图；用几何光学、物理光学及FDTD相结合的混合数值方法计算分析了物镜衍射波与微透镜的耦合特性。仿真结果显示，新型衍射式微透镜阵列性能和传统折射式微透镜阵列相当。新型衍射式微透镜用两个圆柱体来代替传统的微透镜的球面体，较大地降低了加工制造的难度。